虚拟仪器在系统相关辨识中的应用.docx
虚拟仪器在系统相关辨识中的应用ronggang导语：本文将虚拟仪器技术应用于系统辨识中，根据相关辨识理论，采用图形化的设计语言LABVIEW设计了系统辨识仪。实验结果证实该方法准确有效，并且能推广到系统辨识的其他领域摘要：虚拟仪器是目前测量仪器的开展趋势。本文将虚拟仪器技术应用于系统辨识中，根据相关辨识理论，采用图形化的设计语言LABVIEW设计了系统辨识仪。实验结果证实该方法准确有效，并且能推广到系统辨识的其他领域。关键词：相关辨识理论;虚拟仪器;LABVIEWAbstract:ThispaperintroducetheapplicationofVIinSystemIdentification.LABVIEWisappliedinwritingmeasure-controlsystem.Thesimulationsdemonstratethismethodisefficientandpractical.Keywords:correlationanalysis;VI;LABVIEW控制系统模型的准确性是系统设计的关键问题,直接影响控制精度和运行结果。系统辨识是得到系统模型的一种重要途径。在当代控制工程中,利用伪随机信号结合虚拟仪器技术对系统进展相关辨识,是近年来迅速开展起来的新技术。本文以开发二阶系统参数辨识仪为例，介绍了虚拟仪器在系统参数辨识中的应用方法。1系统相关辨识方法1.1相关辨识根本原理相关辨识的理论根底是Wiener-Hopf方程：11式中，Rxx为系统输入的自相关函数，Rxy为系统输入输出的相互关函数，gt为系统的脉冲响应函数。根据Wiener-Hopf方程可知，假设能获得系统输入的自相关函数Rxx和系统输入输出的相互关函数Rxy,那么可以得到系统的脉冲响应函数。但是，对于一般的信号,Wiener-Hopf方程的求解是非常困难得，为此我们要寻找一些特殊的信号作为输入信号以简化求解经过。而白噪声信号其自相关函数具有特殊的形式，其自相关函数为Rxx=K函数。由此得：2可见，系统的输入信号为白噪声时，只要获得系统输入输出的相互关函数Rxy就可求得系统的脉冲响应，见2式。但白噪声只是数学上的一个抽象，不轻易产生。工程中常使用伪随机信号作为系统的辨识信号。伪随机信号通常采用的是M序列。1.2二阶系统参数辨识方法系统参数辨识仪以二阶系统为辨识对象。实际应用中，鼓励信号施加于二阶系统，系统的输出可由数据收集装置获得，并传输至虚拟仪器。本文中，二阶系统模型的特征参数由用户输入确定，二阶系统的输出是由计算得到的。相关辨识原理框图如图1所示。M序列发生器所产生的M序列时钟周期?t应该知足如下条件：33式中：fh,h分别为二阶系统截止频率、截止角频率。该式讲明M序列的频带宽度0.45/?t至少要覆盖被辨识系统截止频率fh的10倍以上。M序列的长度N=1.251.5Ts/?t。其中Ts为系统的调整时间。Ts、fh、h可由用户给定的特征参数计算得到。系统的输出是根据系统的模型计算得到的。二阶系统模型的传递函数为：44式中：n为系统固有角频率,为系统阻尼系数,K为系统比例系数。对4式作Z变换可得如下计算公式：55式中：M0=4+4nT+n2T2,M1=-8+2n2T2,M2=4-4nT+n2T2,M3=Kn2T2，T为采样周期。根据5式可计算出M序列作为输入时系统的输出。系统脉冲响应的估计值可采用如下的伪随机序列相关辨识一次完成算法：当M序列确定以后，系统的输出zj通过计算得出，相应的系统脉冲响应估计值就可由上式计算得出。并且该算法可一次完成N点的脉冲估计值的计算。2二阶系统辨识仪的实现采用美国国家仪器公司的图形化编程语言LABVIEW7.1作为系统的编程语言。二阶系统辨识仪的实现分为两个局部：一是仪器虚拟面板的设计;二是后台控制处理程序的设计。align=center图2虚拟仪器面板/align仪器虚拟面板如图2所示。虚拟前面板的设计是在FrontPanel窗口下，利用LABVIEW的ControlsPalette上的各种控件来完成的。面板第一局部是二阶系统参数设置区域。它包含三个数字输入控件numericcontrol，一个枚举型输入控件enumcontrol和一个数字显示控件numericindicator。通过这几个控件，我们可以配置二阶系统的参数：比例系数K，系统固有频率fn,系统阻尼系数;第二局部为辨识信号参数设置区域,它包含四个数字输入控件numericcontrol。在此我们可以设置M序列的幅值、周期、周期个数及仪器的采样时钟周期;第三局部为波形显示区域。它包含一个枚举型输入控件enumcontrol和一个波形显示控件waveformgraph，通过选择，可以显示输入的辨识信号图形、输出信号图形、输入输出相互关图形和系统脉冲响应图形。另外还有一个控制仪器开关的stopbutton。虚拟辨识仪的后台程序是在LABVIEW的BlockDiagram窗口下利用FunctionsPalette上的控件设计。由于辨识经过要涉及到M序列的发生和一次性相关辨识算法，所以要通过LABVIEW中的MATLABScript调用MATLAB来完成数据地处理工作。整个图形化程序如图3所示，其工作流程如图4所示。align=center图4实验结果/align3实验结果采用二阶系统辨识仪对系统进展辨识，系统模型参数设置为=0.6,K=2,fh=5KHZ,经辨识后得到系统的脉冲响应如图5所示。图中实线表示辨识所得系统脉冲响应。虚线表示系统脉冲响应的理论值。由此可见，采用虚拟仪器结合相关辨识法来辨识系统参数具有较高的精度。配合相应的数据收集设备，该辨识仪就能对实际电路参数进展辨识。而且根据系统参数的其它辨识方法如最小二乘法、极大似然法、随机逼近法等，只要对软件重新设计，就能推广到系统辨识的其他领域。参考文献：1GaryW.Johnson,RichardJennings著.（LABVIEW图形编程）M.北京：北京大学出版社,2002.2孙亮主编.（MATLAB语言与控制系统仿真）M.北京:北京工业大学出版社，2001.3李言俊，张科.（系统辨识理论及应用）M.北京：国防工业出版社，2003.
